Электроны в странном металлическом мире
Представьте себе стайку птиц, кружащуюся по небу: сливающуюся в массу, стекающую в ленты, которые скручиваются и вновь принимают фантастические формы. Если вы проследите за одной птицей в стае, вы сможете описать ее действия, то, как она машет крыльями или тормозит хвостом. Тем не менее, даже если бы вы могли подробно объяснить поведение каждой отдельной птицы, формы и закономерности их коллективного полета все равно ускользнули бы от понимания. Электроны не сбиваются в стаи, как птицы. Но Дебанжан Чоудхури, доцент кафедры физики, сталкивается с аналогичной проблемой, пытаясь описать, как электроны ведут себя в квантовых материалах. На протяжении десятилетий ученые изучали электроны, рассматривая обычные материалы, такие как кремний, и наблюдая по одному электрону за раз. «Несмотря на сложность электронов в кремнии, мы можем эффективно описать измеримые свойства материала, сосредоточив внимание на каждом отдельном электроне, как если бы другие не существовали», — говорит Чоудхури.
Но в последнее время учёных заинтересовали так называемые квантовые материалы, в которых триллионы электронов взаимодействуют и влияют друг на друга — поведение, которое проявляется в высокотемпературных сверхпроводниках. «Эти новые материалы демонстрируют противоречивые свойства, которые невозможно описать, рассматривая эти электроны по одному», — говорит Чоудхури. «Вместо этого нам приходится относиться к электронам в этих материалах как к одной коллективной жидкости, в которой электроны сильно переплетены друг с другом. У нас пока даже нет подходящих технических инструментов и математических машин для надежного описания их свойств». Для Чоудхури, физика-теоретика, квантовые материалы являются одновременно загадкой и путем к инновациям. «Эти материалы очень интересны», — говорит он. «Они обещают расширить наше базовое понимание квантовой механики применительно к триллионам взаимодействующих электронов. Они также потенциально могут стать движущей силой следующего поколения квантовых технологий».
Когда электрический ток протекает через обычный проводник, например медь, при комнатной температуре, микроскопические взаимодействия между проводником и текущими электронами создают сопротивление. Подобно механическому трению, это сопротивление рассеивает часть энергии электрического тока в виде тепла. Напротив, сверхпроводники переносят электрический ток без малейшей потери энергии. Когда в 1911 году была открыта сверхпроводимость, она наблюдалась только при температурах, близких к абсолютному нулю (-273,15°C), что было препятствием для использования потока энергии без потерь в повседневных целях. Однако в 1980-х годах ученые начали открывать материалы с гораздо более высоким температурным порогом сверхпроводимости — до -100°C. Это чрезвычайно низкая температура, но такую температуру можно поддерживать с помощью жидкого азота, что делает высокотемпературные сверхпроводники гораздо лучшими кандидатами для практического применения.
Понимание квантовых явлений, которые управляют потоком электронов в высокотемпературных сверхпроводниках, может иметь невероятные технологические и даже планетарные последствия, объясняет Чоудхури. В качестве примера он приводит электростанции. Примерно 65% электроэнергии, вырабатываемой электростанциями, теряется при передаче. Устраняя эти потери, высокотемпературные сверхпроводники могут значительно сократить выбросы углекислого газа при производстве электроэнергии. Однако многочисленные высокотемпературные сверхпроводники принадлежат к более широкому классу материалов, называемых странными металлами, которые по-прежнему не поддаются объяснению. Они странны в том смысле, что никогда раньше не наблюдались, и не только с точки зрения их сверхпроводимости.
До открытия странных металлов наблюдения в целом подтверждали, что рассеяние в типичном проводнике увеличивается с повышением температуры, но лишь до определенного момента. За пределами этой точки вы можете повысить температуру системы без ухудшения проводимости материала. Увеличьте температуру меди с -150°C до -10°C или даже до 39°C в жаркий летний день, и у вас все равно будет отличный проводник. Однако когда дело доходит до странных металлов, их рассеиванию нет предела. Вместо этого их проводимость продолжает ухудшаться по мере повышения температуры. «Можно подумать, что… материал, который может быть сверхпроводником при температуре около -100°C или ниже, будет очень хорошим электрическим проводником при комнатной температуре, подобно меди или серебру», — говорит Чоудхури. «Напротив, эти странные металлы в нормальных условиях являются ужасными проводниками».
Электроны в любом материале постоянно сталкиваются. Когда температура системы падает, электроны замедляются, а время между столкновениями увеличивается. Однако для странных металлов при низких температурах интервал между последовательными столкновениями необычайно короток. И на этом странности не заканчиваются, говорит Чоудхури. Интервал точно определяется температурой системы и постоянной Планка, фундаментальной константой природы. Такое поведение справедливо независимо от химического состава странного металла и независимо от пороговой температуры, при которой проявляются его сверхпроводящие способности. «Физики волнуются каждый раз, когда мы видим появление универсальности, потому что это означает, что сложные микроскопические детали, связанные с конкретным материалом, не затрагивают общие черты, присущие всем отдельным соединениям», — говорит Чоудхури. «Мы можем надеяться найти теоретическое объяснение, которое будет работать для всех этих соединений».
Чоудхури исследует происхождение этой универсальной шкалы времени в различных сверхпроводящих соединениях. «Такое время столкновений электронов говорит нам о том, что квантовая механика фундаментально важна для понимания фундаментальной физики, которая управляет тем, как электронная жидкость проводит ток в этих странных металлах», — говорит он. «Фундаментальная причина такой универсальной шкалы времени, вероятно, также ответственна за развитие высокотемпературной сверхпроводимости». Чтобы объяснить время столкновений электронов в странных металлах, Чоудхури пытается написать простейшую квантовую теорию поля, которая бы описывала свойства взаимодействующих частиц. «Я пытаюсь построить минимальную математическую модель того, что могут делать электроны», — говорит он. «Я пытаюсь придумать интересные способы решения головоломки, используя методы и идеи, вдохновленные разработками в различных областях физики, иногда включая даже квантовую информацию и черные дыры».
В отдельной, но связанной области группа Чоудхури сотрудничает с физиками-экспериментаторами для изучения физики муаровых материалов, нового класса материалов, открытого в 2018 году Пабло Харилло-Эрреро и его сотрудниками из Массачусетского технологического института. Члены лаборатории Харильо-Эрреро поместили два листа графена, каждый из которых состоит из одного атомного слоя атомов углерода, друг на друга. Затем исследовательская группа скрутила один лист на 1,1 градуса относительно другого. В полученной системе, названной муаровым материалом, поскольку два слегка смещенных листа создают муаровый узор, возникли новые и неожиданные явления, включая сверхпроводимость.
«Существует множество других двумерных материалов, в которых можно играть в ту же игру», — говорит Чоудхури. «Удивительная особенность муаровых материалов заключается в том, что два листа не обязательно должны быть изготовлены из одного и того же материала. Складывая и скручивая множество разных листов, вы получаете возможность извне контролировать кинетическую энергию электронов — насколько быстро они эффективно перемещаются в системе — в отличие от того, насколько сильно они взаимодействуют друг с другом. Например, поворот графена на одну точку и один градус — это золотая середина, где электроны почти останавливаются из-за тонких квантово-механических эффектов».
В общем, сверхпроводимость возникает, когда два электрона собираются вместе, образуют так называемую куперовскую пару, а затем начинают двигаться с конечной кинетической энергией. «Итак, если электроны в двух листах графена с поворотом на 1,1 градуса почти не имеют кинетической энергии, как могут пары электронов двигаться?» — спрашивает Чоудхури. «Ответ кроется в топологических свойствах (свойствах, сохраняющихся при деформации, скручивании и растяжении объектов), которые связаны с квантовомеханической волновой функцией электрона в сочетании с сильным электрон-электронным взаимодействием. Это сочетание топологических свойств и сильно запутанных электронов. открывает принципиально новый путь к созданию высокотемпературных сверхпроводников».
Когда он не думает о существующих и продолжающихся экспериментах, Чоудхури любит представлять интересные квантовые эффекты, которые теоретически возможны, даже если они лежат за пределами существующих измерений. «Я раздвигаю границы своего воображения, задавая вопрос: «Если мы не нарушим никаких фундаментальных законов природы и сосредоточимся на неизведанном мире запутанных электронов, что еще может произойти?» И как мы сможем обнаружить что-то подобное?» — говорит он. «Квантовый мир увлекателен, и мы так мало в нем понимаем, что мне хочется сделать фундаментальные, концептуальные открытия в теории взаимодействующих электронов», — продолжает он. «Существует бесконечный список совершенно новых явлений, о которых никто никогда не думал и которые ждут своего открытия».
Источник
Последние аномальные новости

Где находятся двойные экзопланеты

Да пребудет с нами словарь Звездных войн

Двойные сверхмассивные черные дыры сложно обнаружить

ИИ угрожает заработной плате, а не рабочим местам

Инновационный метод сопоставления небесных объектов

Инопланетная дымка проясняет вид на далекие водные миры

Истребители поднялись в воздух, когда НЛО завис над аэропортом

Компания Neuralink никогда не убивала обезьян

Моделирование образования звездных элементов

Мумифицированные инопланетяне принадлежат к неизвестному виду

НЛО и космическое пространство

Протопланетные диски обнаружены в соседнем звездном скоплении

Семью с загадочной болезнью сравнили с инопланетянами

Скоро мы будем получать изображения землеподобных экзопланет

Телешоу попытается вызвать НЛО в прямом эфире

Темная материя может помочь решить проблему черных дыр

Тиктокерша запечатлела, как НЛО исчезает во вспышке света

Три загадочные двери, спрятанные внутри Великой пирамиды

Через пять лет ИИ будет конкурировать с людьми

Что будет с Землей, если близко подойдет звезда-изгой

Чип-тюнинг. Оптимизация мощности автомобиля

Американские военные видят НЛО в космосе

Биогибридные микророботы смогут удалять микропластик

Везикулы доставят сообщения от нечеловеческих клеток

Выявили импульсы гамма-излучения от черной дыры Стрелец А

Два католических писателя приняли участие в уфоконференции

Идеальные часы невозможны

Исследование взаимодействия темной материи и нуклонов

Китай начинает массовое производство роботов-гуманоидов

Коллайдеры раскроют пространственно-временную геометрию

Новые ограничения на наличие сверхлегкой темной материи

Обнаружили искусственную звездную систему

Обнаружили ультратусклую карликовую галактику

Отслеживание странных обьектов в космосе

Пара испытала покалывание в позвоночнике от НЛО

Пилот авиакомпании сообщил о наблюдении НЛО в Бостоне

Политик пытается добиться прозрачности в вопросе НЛО

Почему такая секретность. Просто идите по следу денег

Распутывание отношений между бактериальными языками

Свидетель заметил в небе три жутких красных огня

ЦРУ собрало коллекцию космических кораблей инопланетян

Займ на Карту 3000 Онлайн. Быстро, Удобно, Без Замедлений

Встречались ли ВМС США с НЛО в 1947 году

Выявили 200 новых видов CRISPR-систем для биотехнологий

Выявление самых ранних стадий развития звезд

Гэри Маккиннон пытался раскрыть правительственные тайны

Звезды-экстремалы обладают уникальными свойствами

ИИ ищет новые фармацевтические ингредиенты

ИИ обнаружил шлейфы метана из космоса

Индийский телескоп обнаружил свою первую сверхновую

Исследователи создают ИИ, открывающий ферменты

Как бактерии защищаются от плазмы

Как правильно сплайсируется РНК

Как розуэлльский НЛО стимулировал теории заговора

Неважно сколько инопланетян прячет США

Новая последовательность кластера генов человека

Орбиты для интерферометров космического базирования

Основы и применение оптических наночастиц

Открыли десятки гигантских радиогалактик

Расследования НЛО и поиски инопланетной жизни

Секретный офис ЦРУ искал следы крушений НЛО

Создание высокоэнергетических сверхбыстрых лазеров

Биоинспирированные коллективы активной материи

Будущее гибридной работы

Древний храм обнаружен в Рендлшеме

Жуткие случаи с привидениями и проклятой мебелью

Заброшенные спутники склонны падать

Звездные войны являются частью английского языка

ИИ распознает темп и стадии эмбрионального развития

Климат формирует особенности жизненного цикла

Мозг свидетелей НЛО претерпевает изменения

НЛО глушили ядерные ракеты

НЛО и ядерные ракеты

НЛО осматривают атомные электростанции

Пилот British Airways рассказал о своих встречах с аномальным

План возрождения разговорной речи та ре Мориори

Структурные вариации играют роль в видообразовании

США на грани катастрофического раскрытия НЛО

Удалось вырастить доломит в лаборатории

Упадок СМИ ставит под угрозу сплоченность общества

Это было просто НЛО

Ясность в отношении изменения климата и его последствий

Речная галька. Ключевые достоинства материала

Ремонт 'под ключ'. Основные плюсы услуги

Базы инопланетян спрятаны под водой у берегов Аляски

Бактерии поддерживают друг друга из поколения в поколение

Джон Кеннеди был реинкарнацией Линкольна

ИИ может обнаружить устойчивость к антибиотикам за 30 минут

Инопланетян терроризирующих жителей Перу удалось снять

Исследовали недавно обнаруженную новую звезду

Как петли влияют на пространственную организацию генома

Межзвёздные шарики оказались отходами тяжёлой промышленности

Мужчины получают больше пользы от привлекательности

НЛО застал врасплох крошечный порт Лабрадора

Обнаружили зеленое свечение Марса

Одна из книг об НЛО, которую необходимо прочитать

Призрачная фигура попала на камеру наблюдения

Проверка достоверности между взаимно не доверяющими сторонами

Разговоры об ИИ имеют прямое отношение к политике

Сколько инопланетян может быть на Земле

Создание вихрей в сверхтекучей жидкости из света

Тестирование будущих конструкций марсианских вертолетов

Углеродный материал установил рекорд по хранению энергии

Эксперименты с ИИ важны для нашего коллективного обучения

Бактерии хранят воспоминания и передают их потомкам

Галактики используют периоды затишья для производства звезд

Двуязычный мозг лучше игнорирует ненужную информацию

Динозавры все еще могут существовать на других планетах

Добыча полезных ископаемых на Луне реальна

Инопланетяне и динозавры вместе гуляли по Земле

Инопланетяне существуют, но им плевать на нас

Инопланетяне существуют, об этом говорят тысячи экзопланет

Мировая элита не сможет сохранить контроль над ИИ

Мощные волоконные лазеры становятся новаторской технологией

Мужчина застыл от страха, увидев НЛО

Новая детская книга об НЛО

Новые свидетельства о Британском Розуэлле

Обнаружили скрытые в Европе загадочные мегаструктуры

Основа контроля природы нелинейностей

Радикальный взгляд на галактики, окружающие Млечный Путь

Редкий металл станет переключателем для квантовых устройств

С отрицанием покончено, изменение климата происходит

Теории заговора вокруг убийств, от Джона Кеннеди до Ганди

Юные галактики горячие и светятся странными элементами

Билл Гейтс пообещал трехдневную рабочую неделю благодаря ИИ

Бывший офицер ВВС рассказал подробности о НЛО

В небе над Челябинском сняли загадочный объект

Веха, знаменующая появление квантовых компьютеров

Вклад гамма-блазарных вспышек в поток нейтрино

Живой Нострадамус предсказывает волну стихийных бедствий

Загадка отсутствия спиральных галактик в Супергалактической плоскости

Зафиксировали мощный луч неизвестной природы

ИИ нашел формулу прогнозирования гигантских волн

Квантовые вычисления для прогнозирования взаимодействия генов

Миры, в которых инопланетяне на миллиарды лет старше нас

Над аэропортом Импхал замечен НЛО

Необьяснимые обьекты в сердце нашей галактики

Разбившийся НЛО с живыми существами-андроидами внутри

Разгадали 400-летнюю загадку первых взрывчатых веществ

Революционные исследования в хранении энергии

Совместили два световых луча, скрученных по часовой стрелке

Странные и загадочные случаи, связанные с близнецами

У нас нет технологий, распознающих творчество нейросетей

Чтобы изучить нептуний и плутоний нужна новая химия

Астрология расскажет насколько вы чувственны в постели

Британская Зона 51 скрывает НЛО и лабиринт туннелей

Виртуальная реальность влияет на психику и креативность

Доказательства экзотического переноса заряда

Компания OpenAI совершила прорыв в создании сильного ИИ

Метеорит пробил насквозь автомобиль в Страсбурге

Множество свидетелей видели снежного человека

Найдите загадочное животное в оптической иллюзии

НЛО врезался в Юпитер

Ноев ковчег найден на Google Earth

Обнаружили второй по силе космический луч

Обнаружили два горячих Юпитера вокруг красных гигантов

Почему интерес к НЛО снова в центре внимания

Сатанинский клуб после школы открылся в Коннектикуте

Секретный военный объект для уничтожения НЛО

Сеть туннелей с привидениями обнаружена в Глостершире

Сокрытие НЛО правительством США реально

Статуя Девы Марии заплакала в Мексике

Хитрая оптическая иллюзия с 10-ю лицами

Шифрование квантовой информации в открытых системах

Бактерии способствуют модуляции поведения животных

Древнюю каменную стену нашли на Марсе

Житель Харрисонбурга рассказал о наблюдении НЛО

Индия поднимает истребители на перехват НЛО

История о крошечном человечке на самолетике

История поисков правительством США инопланетной жизни

Какова истинная природа эффекта Матильды

Климатические теории заговора процветают

Метан и водяной пар обнаружили в атмосфере экзопланеты

Молодая галактика содержит слишком много металла

Мышь с крысиным сердцем и сосудами не получилась

НЛО пролетел в 20 метрах от самолета на высоте 4000 футов

Нострадамус предсказал, что 'Вода смоет города'

Опровергли теорию странных маленьких воздушных шариков

Открываются новые горизонты для технологий будущего

Пентагон скрывает трупы разнообразных инопланетных существ

Российские пилоты заметили мерцающий НЛО

Сетевые нанобиосенсоры для беспроводной связи в крови

Сталкеры пробрались в самый опасный город в мире

Что нужно сделать чтобы предотвратить падение астероида

Бессмертие станет катастрофой для нашей планеты

Вода на поверхности Луны может стать важным ресурсом

Подписка на новости
Наверх
Яндекс.Метрика